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系统总线的历史


□ jl_chang

系统总线的历史图片1
从PC总线到ISA、PCI总线,再由PCI进入PCI Express和HyperTransport体系,计算机在这三次大转折中完成三次飞跃式的提升。

在计算机系统中,各个功能部件都是通过总线交换数据,总线的速度对系统性能有着极大的影响。而也正因为如此,总线被誉为是计算机系统的神经中枢。但相比CPU、显卡、内存、硬盘等功能部件,总线技术的提升步伐要缓慢得多。在PC发展的二十余年历史中,总线只进行三次更新换代,但它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新。在下面的文字中,我们将向大家介绍计算机系统总线的详细发展历程,包括早期的PC总线和ISA总线、PCI/AGP总线、PCI-X总线以及目前主流的PCI Express、HyperTransport高速串行总线。

PC总线与ISA总线

PC总线是最古老的总线之一,虽然在它之前还有诸如MCA、VESA在内的多种总线规格,但它却是第一种被认可为广泛标准的总线技术。PC总线最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT电脑中,它基于8位结构的8088处理器,也被称为PC/XT总线。
PC总线沿用了三年多时间,直到1984年,IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑,系统总线才被16位的PC/AT总线所代替。而这个时候,PC产业已初具规模,加之IBM允许第三方厂商开发兼容产品,PC/AT总线规范也被逐渐标准化,并衍生出著名的ISA总线(Industry Standard Architecture,工业标准架构)。
与PC/AT总线不同,ISA总线采用8位和16位模式,它的最大数据传输率为8MBps和16MBps—今天来看这样的性能低得不可思议,但在当时8MBps的速率绰绰有余,完全可满足多个CPU共享系统资源的需要。既然是标准化的总线技术,ISA就基本不存在什么兼容性问题,后来的兼容PC也无一例外都采用ISA技术作为系统总线。ISA总线一直贯穿286和386SX时代,在当时,16位X86系统对总线性能并没有太高的要求,ISA也没有遭遇任何麻烦。但在32位386DX处理器出现之后,16位宽度的ISA总线就遇到问题,总线数据传输慢使得处理器性能也受到严重的制约。有鉴于此,康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商协同将ISA总线扩展到32位宽度,EISA(Extended Industry Standard Architecture,扩展工业标准架构)总线由此诞生—这是发生在1988年的事情。
系统总线的历史图片2
EISA总线的工作频率仍然保持在8MHz水平,但受益于32位宽度,它的总线带宽提升到32MBps。另外,EISA可以完全兼容之前的8/16位ISA总线,用户已有扩展设备可继续使用,一定程度受到用户的欢迎。然而,EISA并没有重复ISA的辉煌,它的成本过高,且速度潜力有限;更要命的是,在还没有来得及成为正式工业标准的时候,更先进的PCI总线就开始出现,EISA也就成为附庸。不过,EISA总线并没有因此快速消失,它在计算机系统中与PCI总线共存了相当漫长的时光,直到2000年后EISA才正式彻底退出—而此时距EISA标准的提出已经过去了12年。

庞大的PCI总线家族

PCI总线诞生于1992年。英特尔推出486处理器,这个时候,EISA总线成为瓶颈,因为CPU的速度已经明显高于总线速度,但受到EISA的限制,硬盘、显卡和其它外围设备都只能慢速发送和接收数据,整机性能受到严重影响。为了解决这个问题,英特尔公司提出32位PCI总线的概念,并迅速获得认可成为新的工业标准。
第一个版本的PCI总线工作于33MHz频率下,传输带宽达到133MBps,比ISA总线和EISA总线有了巨大的改进,很好满足当时计算机系统的发展需要。而且PCI采用了独特的中间缓冲器设计,显卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速外围设备都可以直接挂在PCI总线中,再与CPU实现通讯,这种做法不仅满足了当时配件对系统总线的性能要求,也提供了相当的灵活性,其设计思想一直延续至今。在PCI发布一年之后,英特尔公司紧接着提出64位的PCI总线,它的传输性能达到266MBps,但主要用于企业服务器和工作站领域;由于这些领域对总线性能要求较高,64位/33MHz规格的PCI很快又不够用了,英特尔遂将它的工作频率提升到66MHz。而随着X86服务器市场的不断扩大,64位/66MHz规格的PCI总线理所当然成为该领域的标准,针对服务器/工作站平台设计的SCSI卡、RAID控制卡、千兆网卡等设备无一例外都采用64位PCI接口,乃至到今天,这些设备还被广泛使用。
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